流速儀在阿合別斗灌區(qū)測流的應(yīng)用與分析

摘 要：渠道水利用系數(shù)是灌區(qū)改造與節(jié)水灌溉的重要指標(biāo)，也是衡量渠道輸水效率的標(biāo)志性指標(biāo)。以阿合別斗灌區(qū)為測試渠道，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用從不同渠道確定2種儀器在不同條件的適用性，對如何快速精準(zhǔn)測量渠道流量提供新的方法。

關(guān)鍵詞：LS1206B流速儀;多普勒便攜式流速儀;渠道測量

中圖分類號：S2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115017

收稿日期：2020-10-20

基金項(xiàng)目：新疆現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)及高效節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)（項(xiàng)目編號：2020.D-004）

作者簡介：余其鷹（1994-），男，碩士。研究方向：水文水資源。

1?概述

流速儀是一種測量流速的測量儀器，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測速裝置也呈現(xiàn)自動化、多樣化，常見的旋槳式流速儀因價格便宜，受到水利行業(yè)青睞，但因不同水體造成測量誤差。近年來國內(nèi)外先進(jìn)的超聲波、激光、多普勒流速儀相繼流入市場，裝置雖然先進(jìn)，但價格不菲，而且通過各種原理設(shè)計(jì)下的流速儀呈現(xiàn)的缺陷也是限制大量推廣的主要原因。選擇適宜的流速儀，準(zhǔn)確測定流量，確定渠道水利用系數(shù)是合理評價節(jié)水灌溉發(fā)展成效和分析水潛力的重要基礎(chǔ)。

阿合別斗中型灌區(qū)位于新疆塔城地區(qū)托里縣，占地面積約116000hm2，草場面積11.13萬hm2，灌溉面積7293.33hm2。灌區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，春季多風(fēng)，夏季炎熱而短促，秋季涼爽，冬季嚴(yán)寒而漫長，屬于典型的干旱、半干旱大陸性氣候區(qū)。根據(jù)托里縣氣象資料顯示，阿合別斗中型灌區(qū)多年平均氣溫4.9℃，多年最高氣溫40.2℃，最低氣溫-36.6℃，多年最冷月平均氣溫-12.56℃，年凍融循環(huán)次數(shù)小于100次。多年平均降水量253.1mm，蒸發(fā)量為2017mm，多年平均積雪深為32cm，最大凍土深1.5m。無霜期116d左右，主風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，年平均風(fēng)速7～9m·s-1，徑流主要靠泉水和融雪水補(bǔ)給，多年平均徑流量為1351×104m3。

通過傳統(tǒng)旋槳式流速儀與現(xiàn)代化便攜式多普勒流速儀進(jìn)行對比試驗(yàn)測定，探求不同級別渠道2種流速儀的測定結(jié)果，總結(jié)不同流速儀適用條件，在滿足測定精度條件下，達(dá)到快速測定流量的目的。

2?方法與儀器

2.1?試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)選取阿合別斗老風(fēng)口干渠渠首處，支渠渠首加5km處，選取水面波動小、水面平穩(wěn)的梯形水泥斷面。采用江蘇通達(dá)儀表有限公司生產(chǎn)LS1206B型旋槳式流速儀（以下簡寫為旋槳式流速計(jì)）、多普勒便攜式流速儀。

2.2?試驗(yàn)方法及其原理

2.2.1?旋槳式流速儀

利用噴漆確定測量斷面，然后用測深儀器布設(shè)3條垂線，將斷面分為3個小部分;用儀器測量每條垂線位置水深，計(jì)算斷面面積、垂線上的平均流速，最終確定斷面的平均流速;斷面面積與平均流速的乘積即為斷面流量大小。儀器測算公式：

V=KNT+C（m/s）（自動計(jì)算）

式中，V為測流時段內(nèi)平均流速，m·s-1;K為槳葉水力螺距;C為流速儀常數(shù);T為測流時時長，s;N為T時段內(nèi)信號數(shù);K、C均為常數(shù)。

2.2.2?多普勒便攜式流速儀

多普勒流速儀利用多普勒原理測量流量，可提供瞬時值和累計(jì)流量值，可選配短信和GPRS無線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測。

3?結(jié)果分析

3.1?干渠測量

利用便攜式多普勒流速儀與旋槳式流速儀分別在阿合別斗干渠進(jìn)行測量對比結(jié)果如表1至表3所示，干渠旋槳式流速儀斷面流速在垂線上從下至上呈遞增，符合水動力學(xué)理論，便攜式多普勒流速儀在垂線上誤差較小，產(chǎn)生誤差的主要原因是渠道的糙率和20s內(nèi)的平均讀數(shù)以及溫度共同決定的。

通過比較測量2種結(jié)果分析，最大測點(diǎn)相對誤差大于5%的誤差規(guī)定，其余測量參數(shù)（斷面流量、水量斷面面積、平均流速等）均符合誤差規(guī)定。最大測點(diǎn)流速的誤差值是2種儀器設(shè)置原理不同導(dǎo)致的，多普勒測得流速為每20s更新的最大流速，旋槳式流速儀為每30s更新的平均流速，但多次測量后斷面流量的相對誤差為1.2%，屬于可接受范圍內(nèi)。

3.2?支渠測量

選取支渠斷面如干渠相同方法在斷面垂線上依次做相同試驗(yàn)結(jié)果如表4至表6，經(jīng)過測量支渠部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，旋槳式流速儀流量能夠滿足5%的誤差規(guī)定，便攜式多普勒流速儀相對旋槳式流速儀所得出的斷面流量相對誤差高達(dá)33.23%，最大點(diǎn)流速和平均流速相對誤差大于5%。分析主要原因是便攜式流速儀測量水深與實(shí)際水深不符合，故斷面面積小于實(shí)際面積;斷面流速小于實(shí)際流速。綜上，斷面實(shí)際流量大于斷面實(shí)測流量。因此在斷面較窄、邊緣流速較大的矩形渠道使用便攜式多普勒剖面流速儀測流，誤差較大，不宜使用。

4?結(jié)論及建議

阿合別斗作為托尼縣的中型灌區(qū)，通過測流達(dá)到測算灌溉系數(shù)，測流的精準(zhǔn)性十分重要。但是由于渠道水質(zhì)不同造成的精度不高會影響水量統(tǒng)計(jì)，直接影響灌溉系數(shù)，因此針對不同渠道選擇合適的測流儀器十分重要。綜合試驗(yàn)后給出如下建議。

4.1?渠道斷面選擇

應(yīng)選擇糙率低，水面起伏小，平穩(wěn)流態(tài)的規(guī)則斷面進(jìn)行測流。

4.2?水深

針對不同水深選擇不同測流儀器，便攜式多普勒流速儀與旋槳式流速儀最低測流水深分別為5cm、10cm。

4.3?水質(zhì)

旋槳式流速儀在測流過程中遇到水草漂浮物時，會纏繞住轉(zhuǎn)動軸，嚴(yán)重影響測流結(jié)果;便攜式多普勒流速儀是通過多普勒原理監(jiān)測水中顆粒物反射波來測得瞬時最大流速，當(dāng)水質(zhì)清澈時，可能在短時間內(nèi)沒有讀數(shù)，故應(yīng)選擇渾濁水體測流精度較高。

4.4?檢查與保養(yǎng)

定期檢查便攜式多普勒流速儀探頭、電線等設(shè)施。試驗(yàn)完成后用光滑軟布擦拭與水接觸部位，防止生銹腐蝕。定期檢查電池電量。雨天工作時，保護(hù)好設(shè)備主機(jī)，避免雨水進(jìn)入主機(jī)造成短路損害。多普勒流速儀測流速度快、高精度、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)適用于較大干渠及支渠中，而旋槳式流速儀適用于大小斷面支渠，針對不同渠道選擇不同設(shè)備為阿合別斗灌區(qū)測流，實(shí)現(xiàn)提高灌溉系數(shù)提供理論基礎(chǔ)。

（責(zé)任編輯?周康）